更快地建立组织更快地建立组织在学习中吸取教训

在美国,每天有20人死于等待器官移植目前,美国每年有3万多名患者接受器官移植,另有11.3万名患者正在等待器官移植。

许多人将人工培育的人体器官视为解决器官短缺问题的圣杯,而3D打印技术的进步,已导致利用该技术构建人体器官形状的活体组织的热潮。然而,迄今为止,所有3d打印的人体组织都缺乏用于器官修复和替换的细胞密度和器官水平的功能。

现在,一项新的技术迅速(牺牲编写成功能性组织)由哈佛大学生物工程研究所的研究人员和哈佛约翰·a·保尔森工程和应用科学学院(海洋)克服的主要障碍,3 d打印血管通道进入生活stem-cell-derived器官组成的矩阵构建块(obb)。该技术产生了具有高细胞密度和功能的活的、器官特异性的组织。这项研究发表在《科学进展》杂志上。

“这是一种全新的组织制造范式,”威斯研究所(Wyss Institute)副研究员、共同第一作者马克•斯卡拉-斯科特(Mark skyra – scott)表示。”,而不是试图3 d打印整个器官的细胞,迅速关注只有印刷所需的容器支持活组织构造,其中包含大量的obb,这可能最终被用来治疗修复和替换人体器官肺脏包含病人自己的细胞。”

SWIFT包括一个两步的过程,首先将数十万个干细胞衍生的聚合体形成一个密集的、由每毫升含有2亿个细胞的器官构建块组成的活基质。接下来,通过书写和除去牺牲墨水,在基质中嵌入一个血管网络,氧气和其他营养物质可以通过这个网络传递给细胞。

”形成一个稠密矩阵从这些obb杀死一石二鸟:它不仅实现高细胞密度类似于人体器官,但基质的粘度也使印刷的普及网络perfusable通道内模拟支持人体器官的血管,”co-first作者Sebastien Uzel Wyss研究所的研究员和海洋。

SWIFT方法中使用的细胞聚集体来自成体诱导的多能干细胞,这些干细胞与定制的细胞外基质(ECM)溶液混合,形成一个通过离心压缩的活基质。在低温(0到4摄氏度)下,这种致密的基质具有蛋黄酱的稠度——柔软到足以操作而不会破坏细胞,但厚到足以保持其形状——使其成为牺牲3D打印的完美介质。在这种技术中,一个薄喷嘴穿过基质,沉积一股明胶“墨水”,将细胞挤出去,而不会破坏它们。

这幅图像序列显示了一个普遍的,分支网络的维管通道(红色)印刷在一个密集的细胞组织基质通过SWIFT。资料来源:哈佛大学威斯研究所

当寒冷的矩阵是加热到37度,它僵硬变得更加坚固的(如煎蛋卷是煮熟的),而明胶墨水融化和可以被淘汰,留下一个渠道网络嵌入到组织结构,可以与含氧灌注媒体来滋养细胞。研究人员能够改变管道的直径,从400微米到1毫米不等,并无缝地将它们连接起来,在组织内形成分支的血管网络。

用这种方法快速灌注并嵌入血管通道的器官特异性组织仍然存活,而没有这些通道的组织在12小时内经历了细胞死亡。为了观察这些组织是否表现出器官特有的功能,研究小组将一个分支通道结构打印、抽离并灌注到一个由心脏来源的细胞组成的基质中,然后让介质在通道中流动一周以上。在此期间,心脏obb融合在一起形成了一个更坚实的心脏组织,其收缩变得更同步,强度是人类心脏的20倍以上,模仿了人类心脏的关键特征。

“我们的快速生物制造方法是高效创造瀑特异组织大规模obb从总量的主要细胞stem-cell-derived瀑样,“通讯作者刘易斯说,他是一个核心教员Wyss研究所以及Hansjorg在海洋生物工程教授。“通过将干细胞研究人员的最新进展与我的实验室开发的生物打印方法相结合,我们相信SWIFT将在世界范围内极大地推进器官工程领域。”

作为刘易斯和陈共同领导的3D器官工程项目的一部分,威斯康辛大学的克里斯·陈和麻省理工学院的桑吉塔·巴蒂亚正在与威斯康辛大学的克里斯·陈和桑吉塔·巴蒂亚合作,将这些组织植入动物模型,并探索它们的宿主整合。

“支持人类组织血管通道的能力是一个巨大的一步创建的目标功能之外的人体器官的身体,”唐纳德·因格贝尔Wyss研究所所长说,他也是Judah Folkman HMS血管生物学教授,波士顿儿童医院血管生物学项目,和海洋生物工程教授。“詹妮弗实验室的成就,包括这项研究,给我们留下了深刻的印象。这项研究最终有可能极大地改善器官工程,并延长自身器官衰竭患者的寿命。”

这篇论文的其他作者还包括约翰·阿伦斯(John Ahrens),他目前是威斯研究所和海洋研究所的研究生,以及威斯研究所和海洋研究所的前成员露西·南(Lucy Nam)、瑞安·特鲁比(Ryan Truby)和萨里塔·达玛拉茹(Sarita Damaraju)。

这项研究得到了美国海军研究办公室瓦内瓦尔·布什教员奖学金、美国国立卫生研究院、盖茨实验室和哈佛大学威斯生物工程研究所的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/09/new-technique-being-developed-to-therapeutically-repair-and-replace-human-organs/

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